雜草對(duì)草甘膦抗性機(jī)制及治理對(duì)策

周欣欣，黃兆峰，魏守輝，黃紅娟，張朝賢

(1.農(nóng)業(yè)部農(nóng)藥檢定所，北京 100125；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所，北京 100193)

1 引言

草甘膦是由美國(guó)孟山都公司開(kāi)發(fā)的廣譜滅生性、內(nèi)吸傳導(dǎo)型除草劑，主要用來(lái)防除一年生及多年生惡性雜草。自1974年商品化以來(lái)，一直是最主要的除草劑品種(張朝賢等，2011)。草甘膦的作用機(jī)制是抑制植物體內(nèi)5-烯醇式丙酮酸-3-磷酸合成酶(5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase，EPSPS)的活性，阻礙芳香族氨基酸的生物合成，導(dǎo)致莽草酸大量積累，進(jìn)而擾亂正常的氮代謝致使植物死亡。草甘膦具有低毒、低殘留等優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)便高效的除草方式給人類帶來(lái)了巨大經(jīng)濟(jì)效益。但是，由于草甘膦的長(zhǎng)期大量使用，也使得抗草甘膦雜草不斷產(chǎn)生與發(fā)展。截止到2018年3月，全球共發(fā)現(xiàn)41種抗草甘膦雜草(表1)(Heap，2018)?？共莞熟㈦s草的出現(xiàn)與發(fā)展嚴(yán)重威脅到草甘膦的使用和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。生產(chǎn)上，農(nóng)民通常加大草甘膦的使用劑量來(lái)防除抗性雜草，不僅增加了成本，影響農(nóng)藥減量使用，還造成了環(huán)境污染。因此，雜草對(duì)草甘膦的抗藥性機(jī)制研究及其防除已經(jīng)成為全球關(guān)注的重要問(wèn)題。

表1 抗草甘膦雜草分布

續(xù)表

2 抗草甘膦雜草研究進(jìn)展

草甘膦具有獨(dú)特的作用方式及代謝機(jī)制，使人們一度認(rèn)為在田間不可能出現(xiàn)抗草甘膦雜草。然而，1996年在澳大利亞發(fā)現(xiàn)的瑞士黑麥草(Loliumrigidum)對(duì)草甘膦表現(xiàn)出了高水平的抗藥性，標(biāo)志著抗草甘膦雜草的出現(xiàn)(Pratleyetal.，1999)。在馬來(lái)西亞，草甘膦連續(xù)10年使用后，牛筋草(Eleusineindica)對(duì)草甘膦的抗性達(dá)8～12倍。2000年在美國(guó)抗草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆田中發(fā)現(xiàn)，小蓬草(Conyzacanadensis)對(duì)草甘膦的抗性提高了8～13倍(Vangessel，2001)。2005年，Culpepper等對(duì)美國(guó)喬治亞州傳統(tǒng)的棉花、花生和大豆田懷疑對(duì)草甘膦具有抗性的長(zhǎng)芒莧(Amaranthuspalmeri)進(jìn)行了抗性鑒定，結(jié)果顯示其抗性生物型的I50 值是敏感生物型I50值的12倍(Culpcpper et a1.，2006)。同年，在美國(guó)還發(fā)現(xiàn)了抗草甘膦的具瘤莧(Amaranthusrudis)和三裂葉豚草 (Ambrosiatrifida)，在巴西和阿根廷分別發(fā)現(xiàn)了抗草甘膦的猩猩草(Euphorbiaheterophyll)和假高梁(Sorghumhalepense)(Heap，2018)。2007年在澳大利亞發(fā)現(xiàn)了抗草甘膦的光頭稗(Echinochloacolona)。耐草甘膦轉(zhuǎn)基因作物種植面積的逐年提高加速了草甘膦的需求。此外，少耕免耕農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的需求增長(zhǎng)，大大拓寬了草甘膦的施用范圍。草甘膦的大面積推廣使用將加速抗草甘膦雜草的發(fā)生和發(fā)展。

在我國(guó)，2005年抗草甘膦的小蓬草在浙江被發(fā)現(xiàn)和報(bào)道(Conyzacanadensis)(Songetal.，2005)，2012年抗草甘膦牛筋草在我國(guó)南方作物田中被發(fā)現(xiàn)(楊彩宏等，2012)。最近，在湖南省部分施用草甘膦的棉田也發(fā)現(xiàn)抗性牛筋草種群(劉慧雄等，2015)。這表明草甘膦在我國(guó)果園等農(nóng)作物種植區(qū)的長(zhǎng)期應(yīng)用已經(jīng)使抗性問(wèn)題逐漸產(chǎn)生。未來(lái)隨著草甘膦應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，抗草甘膦雜草產(chǎn)生的幾率將進(jìn)一步升高。

3 雜草對(duì)草甘膦的抗藥性機(jī)制

大多數(shù)除草劑通過(guò)抑制植株生長(zhǎng)發(fā)育中的關(guān)鍵酶而能殺死雜草，雜草體內(nèi)這些受除草劑抑制的酶被定義為除草劑的靶標(biāo)酶。雜草對(duì)除草劑的抗藥性通常情況可分為靶標(biāo)抗藥性和非靶標(biāo)抗藥性。靶標(biāo)抗藥性是指靶標(biāo)酶基因發(fā)生突變或多拷貝，使除草劑不能有效抑制靶標(biāo)酶(Leeetal.，2015；Hanetal.，2016；Duhouxetal.，2017)。非靶標(biāo)抗藥性主要是雜草通過(guò)代謝酶(如細(xì)胞色素酶P450、谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶和葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶)代謝解毒作用使除草劑失活(Yu & Powles，2014；Iwakamietal.，2014)。就雜草對(duì)草甘膦的抗藥性機(jī)制而言，主要包括以下幾點(diǎn)：

3.1 靶標(biāo)抗藥性機(jī)制

3.1.1 靶標(biāo)基因發(fā)生改變 草甘膦的靶標(biāo)EPSPS基因關(guān)鍵的核苷酸被取代，導(dǎo)致表達(dá)的氨基酸類型改變，從而引起EPSPS酶活性發(fā)生變化，致使草甘膦與靶標(biāo)酶結(jié)合能力降低，最終導(dǎo)致草甘膦的藥效降低。到目前為止，已報(bào)道的抗草甘膦雜草EPSPS突變主要位于106位，如：馬來(lái)西亞的牛筋草、智利的多花黑麥草在EPSPS 106位氨基酸由脯氨酸變?yōu)榻z氨酸或蘇氨酸(Baersonetal.，2002；Fideletal.，2012)。部分抗草甘膦雜草也伴隨其他位點(diǎn)的突變，如在澳大利亞發(fā)現(xiàn)的抗草甘膦瑞士黑麥草EPSPS同時(shí)存在2個(gè)突變位點(diǎn)，一是106位脯氨酸突變?yōu)樘K氨酸，二是301位脯氨酸突變?yōu)榻z氨酸(Simarmataetal.，2008)。對(duì)草甘膦具有高抗性的牛筋草種群EPSPS同時(shí)存在102位和106位(T102I+P106S)2個(gè)氨基酸突變(Yuetal.，2015；陳景超等，2016)。

3.1.2 靶標(biāo)酶的過(guò)量表達(dá) 雜草EPSPS基因表達(dá)量升高，植株體內(nèi)產(chǎn)生過(guò)量的EPSPS酶能緩解草甘膦對(duì)其限制，從而對(duì)草甘膦產(chǎn)生抗藥性。Yuan等研究發(fā)現(xiàn)，抗草甘膦的狗甘草經(jīng)草甘膦處理后，EPSPS在轉(zhuǎn)錄水平上迅速增加，過(guò)量的EPSPS解除了草甘膦對(duì)其限制并提供足夠的酶活性來(lái)滿足代謝的需要，從而增加了對(duì)草甘膦的抗藥性(Yuan et al.，2002)。但是有些抗草甘膦雜草是由于EPSPS基因在染色體上成倍復(fù)增導(dǎo)致的。Gaines等對(duì)抗草甘膦長(zhǎng)芒莧(Amaranthuspalmeri)進(jìn)行了抗性機(jī)理的研究，發(fā)現(xiàn)由于EPSPS基因在多個(gè)染色體上成倍擴(kuò)增，在轉(zhuǎn)錄時(shí)增加了EPSPS的表達(dá)，從而導(dǎo)致長(zhǎng)芒莧對(duì)草甘膦的抗藥性(Gainesetal.，2010)。這一新的抗性機(jī)制在《PNAS》雜志刊登后，研究者在意大利黑麥草(Loliumperennessp. multiflorum)、地膚(Kochiascoparia)也發(fā)現(xiàn)了這些雜草對(duì)草甘膦抗藥性是由于EPSPS基因大量復(fù)增所導(dǎo)致(Salasetal.，2012； Wiersmaetal.，2015)。

3.2 非靶標(biāo)抗藥性機(jī)制

3.2.1 草甘膦的輸導(dǎo)與分布 在對(duì)小蓬草的草甘膦抗性機(jī)制研究中發(fā)現(xiàn)，減少草甘膦向分生組織輸導(dǎo)是其抗草甘膦的主要原因(Fengetal.，2004)。隨后在黑麥草中也發(fā)現(xiàn)了同樣的抗性機(jī)制(Wakelinetal.，2004)。Culpepper等用高濃度的草甘膦對(duì)抗草甘膦長(zhǎng)芒莧莖葉噴霧處理后發(fā)現(xiàn)，葉腋處的生長(zhǎng)點(diǎn)可以繼續(xù)生長(zhǎng)(Culpcpperetal.，2006)。Fidel在研究抗草甘膦多花黑麥草(LoliummultiflorumLam.)時(shí)發(fā)現(xiàn)，抗藥性生物型不僅在EPSPS106位發(fā)生突變，并且抗性生物型比敏感型在植株根和葉片積累的草甘膦更少(Fideletal.，2012)。

3.2.2 草甘膦的隔離 部分抗草甘膦雜草可以通過(guò)將吸收到的草甘膦迅速在液泡中封存，從而明顯降低草甘膦的毒副作用。Ge等通過(guò)31P核磁共振在小飛蓬上觀察到了草甘膦的快速封存化，這說(shuō)明雜草可以通過(guò)將除草劑隔離的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)一種在生物化學(xué)層面的抗性(Geetal.，2010)。

4 抗草甘膦雜草的治理

資料顯示，草甘膦抗性雜草發(fā)生，主要是重復(fù)而單一地使用草甘膦，尤其是那些以種植抗草甘膦轉(zhuǎn)基因作物為主的地區(qū)。因此，有針對(duì)性地進(jìn)行除草技術(shù)的改進(jìn)，是有效防除雜草，降低雜草抗性的必經(jīng)之路。

4.1 除草劑混用 不同作用方式的除草劑輪換或混合使用是防除抗藥性雜草的有效方法之一。對(duì)于草甘膦防除效果不佳或產(chǎn)生抗性的雜草如苣荬菜、田旋花、小飛蓬等，可以與苯氧羧酸類除草劑2，4-D丁酯等混用來(lái)提高防除效果。也可以與其他類型的滅生性除草劑如草銨膦等輪換使用這樣既可以提高防除效果。草甘膦也可以與一些土壤處理活性較高的除草劑混用，如酰胺類，磺酰脲類等，這樣既能延長(zhǎng)除草持效期又能降低重復(fù)施藥成本。

另外，草甘膦與莖葉處理除草劑的混用。如在生產(chǎn)上將草甘膦與苯氧羧酸類除草劑2，4-滴丁酯、2甲4氯等混用，既可提高防效，又可解決難防雜草問(wèn)題。其次是與土壤處理除草劑的配合使用。由于草甘膦只有在雜草出土后進(jìn)行莖葉處理，不能防除未出土雜草，因此，在噴施草甘膦的同時(shí)，將一些土壤處理除草劑(如酰胺類、磺酰胺類、咪唑啉酮類、三嗪類等)進(jìn)行封殺，既能延長(zhǎng)除草劑的持效期，減少施藥量，延緩抗性的產(chǎn)生。

4.2 提高施藥技術(shù) 現(xiàn)在生產(chǎn)上仍然存在一些不科學(xué)的施藥行為如：錯(cuò)施、誤施、漏施、濫施等。如何能夠真正做到因草施藥，見(jiàn)草施藥；如何落實(shí)因草情而確定施藥劑量，考慮生態(tài)和經(jīng)濟(jì)闞值而不盲目追求高防效是目前生產(chǎn)上亟待解決的重要課題。開(kāi)發(fā)推廣高性能?chē)婌F器械，提高噴霧質(zhì)量等提高施藥相關(guān)技術(shù)對(duì)草甘膦的施用年限具有重要意義。

4.3 加強(qiáng)管理，發(fā)揮優(yōu)勢(shì) 由于草甘膦在土壤中活性低，見(jiàn)效慢，人們很容易忽視其污染問(wèn)題而加大施用劑量，尤其是在水田邊、鐵路、果園等非耕地施用，結(jié)果造成水體的嚴(yán)重污染。歐洲一些國(guó)家已經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，草甘膦對(duì)地表水、地下水和雨水都造成一定程度的污染。如何加強(qiáng)草甘膦的管理和正確指導(dǎo)科學(xué)地使用，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，避免抗性雜草的發(fā)展和環(huán)境污染，以延長(zhǎng)其使用年限，確保草甘膦能更好的為農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)，這是當(dāng)前的一個(gè)重要任務(wù)。

4.4 利用新技術(shù)-RNA干擾 RNA干擾(RNA interference，RNAi)是指由雙鏈RNA分子引起的序列特異性靶標(biāo)基因mRNA降解，從而導(dǎo)致內(nèi)源或外源靶基因沉默的機(jī)制。2013年2月在澳大利亞舉行的“全球除草劑抗性挑戰(zhàn)”國(guó)際會(huì)議上，孟山都公司利用RNA干擾技術(shù)進(jìn)行了草甘膦雜草治理的探索和研究，結(jié)果表明，通過(guò)導(dǎo)入特異的雙鏈RNA，可以使抗性長(zhǎng)芒莧失去對(duì)草甘膦的抗性。但該技術(shù)只能解決靶標(biāo)酶改變的抗性機(jī)制雜草，且在田間是否可應(yīng)用，暫無(wú)相關(guān)研究。

5 小結(jié)

盡管目前研究者將雜草抗草甘膦機(jī)制分為靶標(biāo)抗性和非靶標(biāo)抗性，但不少研究者堅(jiān)持認(rèn)為EPSPS活性增高是產(chǎn)生抗性的主要原因。同時(shí)EPSPS其他位點(diǎn)的突變以及這些突變位點(diǎn)與抗性的關(guān)系有待于進(jìn)一步挖掘和驗(yàn)證。相信隨著研究的深入，人們將揭示出更加深入合理的抗性機(jī)制。

草甘膦在我國(guó)已使用40余年，長(zhǎng)期使用草甘膦，抗藥性雜草產(chǎn)生與發(fā)展的風(fēng)險(xiǎn)在迅速增加?？共莞熟⒌男★w蓬和牛筋草已在我國(guó)浙江和廣東發(fā)現(xiàn)(Songetal.，2005)。為防止抗草甘膦雜草的產(chǎn)生與發(fā)展，在抗藥性雜草的治理中，應(yīng)重視除草劑使用的多樣性，倡導(dǎo)不同作用方式除草劑的輪用和交替使用，以延緩抗藥性雜草的發(fā)生；引入綠色發(fā)展理念——重視耕作方式和作物品種的多樣性，充分發(fā)揮農(nóng)藝措施、生態(tài)調(diào)控等手段對(duì)雜草的控制作用；同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)抗藥性雜草的監(jiān)測(cè)，建立高效、系統(tǒng)的抗性雜草治理策略。